Welcher Temperaturbereich gilt bei der Superlegierungsbearbeitung als „Hochtemperatur“?
Im Zusammenhang mit der Bearbeitung von Superlegierungen bezieht sich der Begriff „hohe Temperatur“ nicht auf die Umgebung, sondern auf die extremen lokalen Temperaturen, die an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück entstehen. Dieser Temperaturbereich unterscheidet sich wesentlich von der Einsatztemperatur der Superlegierung und ist der entscheidende Faktor für die Werkzeugstandzeit und die Bearbeitbarkeit.
Temperaturbereich in der Schnittzone
Bei der Bearbeitung von Superlegierungen wie Inconel 718 oder Hastelloy C-276 erzeugen die starke Scherdeformation und Reibung während der Spanbildung enorme Hitze. In diesem Zusammenhang bezeichnet „hohe Temperatur“ typischerweise einen Bereich von 750 °C bis über 1200 °C (1380 °F bis 2200 °F) an der Schneidkante. Dieser Bereich ist problematisch, da er oft die thermische Stabilitätsgrenze herkömmlicher Werkzeugbeschichtungen übersteigt und sich dem Erweichungspunkt selbst hochwertiger Hartmetallsorten nähert.
Unterschied zur Einsatztemperatur der Superlegierung
Es ist entscheidend, diese Bearbeitungstemperatur von der bekannten Einsatztemperatur des Werkstoffs zu unterscheiden. Superlegierungen sind darauf ausgelegt, ihre Festigkeit zu behalten und Kriechverformung bei Einsatztemperaturen von 0,7 – 0,8 ihrer Schmelztemperatur (häufig 650 °C bis 1150 °C / 1200 °F bis 2100 °F) zu widerstehen. Genau diese Eigenschaft – die Festigkeitsbeibehaltung bei hohen Temperaturen – macht ihre Bearbeitung so schwierig. Das Material bleibt bei den Temperaturen der Schnittzone, bei denen andere Stähle bereits erweichen würden, zäh und abrasiv, was zu einem raschen Werkzeugverschleiß führt.
Technische Auswirkungen und Steuerungsstrategien
Das Management dieser Wärme ist die zentrale Herausforderung bei der Bearbeitung von Superlegierungen. Die angewandten Strategien sind direkte Reaktionen auf diese Definition von „hoher Temperatur“:
Auswahl des Werkzeugmaterials: Herkömmliche Schnellarbeitsstähle (HSS) verlieren bei diesen Temperaturen vollständig ihre Härte. Daher verwendet die Industrie submikrokörnige Hartmetalle mit fortschrittlichen PVD-Beschichtungen wie TiAlN oder AlCrN, die eine schützende Oxidschicht aufrechterhalten. Für besonders anspruchsvolle Schnitte werden Siliziumnitrid-Keramiken oder CBN (kubisches Bornitrid) eingesetzt, deren Warmhärte weit über der von Hartmetall liegt.
Wärmemanagement: Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Superlegierungen speichert die Wärme in der Schnittzone. Daher ist Hochdruck-Kühlmittelzufuhr durch das Werkzeug nicht nur hilfreich, sondern unerlässlich. Sie reduziert den thermischen Schock, spült heiße Späne ab und verhindert, dass sich die Wärme auf die Schneidkante konzentriert.
Parameteroptimierung: Falsch gewählte Bearbeitungsparameter können das Problem verschärfen. Zu niedrige Schnittgeschwindigkeiten fördern Kaltverfestigung und Reibung, während zu hohe Geschwindigkeiten zu übermäßiger Hitze führen. Eine sorgfältig ausbalancierte Kombination aus Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe ist erforderlich, um das Material effizient zu scheren und die Wärme über den Span abzuführen.
Zusammengefasst definiert „hohe Temperatur“ bei der Bearbeitung von Superlegierungen das extreme, lokal begrenzte thermische Umfeld an der Schneidkante – ein Schlüsselfaktor, der jedes Detail des Prozesses bestimmt: von der Werkzeug- und Kühlmittelauswahl bis hin zu den Bearbeitungsparametern, um eine erfolgreiche und präzise Fertigung zu gewährleisten.
